风电机组外部防雷技术措施

风电机组外部防雷技术措施第1页/共43页定义（2）向下闪击：

起始于雷云对大地产生的向下先导的闪击。由一次首次短时雷击组成，其后可能有多次后续短时雷击。

向上闪击：

起始于一已接地的建(构)筑物对雷云产生的向上先导的闪击。由其上可能有多次后续短时雷击及一个长时间雷击组成。

第2页/共43页下行雷的可能组成部分

---选自IEC62305-1/GB/T21714.1图A.3第3页/共43页上行雷的可能组成部分

---选自IEC62305-1/GB/T21714.1图A.4第4页/共43页雷电流参数防雷建筑物类别第一类第二类第三类I：幅值（kA）200150100T1：波头时间（μs）101010T2：半值时间（μs）350350350Qs:电荷量（C）1007550W/R:单位能量（MJ/Ω）105.62.5定义（3）

---首次短时雷电流参量第5页/共43页定义（4）

---云地闪的形成过程第6页/共43页风电机组外部防雷相关参考标准GB50057建筑物防雷设计规范IEC62305-1:2006雷电防护第1部分:总则GB/T21714.1-2008IEC62305-2:2006雷电防护第2部分:风险管理GB/T21714.2-2008IEC62305-3:2006雷电防护第3部分:建筑物的物理损坏GB/T21714.3-2008和生命危险IEC62305-4:2006雷电防护第4部分:建筑物内电气GB/T21714.4-2008和电子系统IEC61400-24：2002风力发电机组雷电防护第7页/共43页IEC标准体系简介第8页/共43页综合防雷系统外部防雷接闪器引下线接地装置内部防雷等电位连接防闪络措施电涌保护器屏蔽（法拉弟笼）综合防雷系统的组成第9页/共43页防雷的原理利用外部防雷装置来拦截雷闪，利用引下线把雷电流泄入地中。主要是防直击雷造成的损害，同时为内部防雷打好基础。防雷如同防洪，其原理是为雷电流提供一低阻抗的通道，同时采取内部防雷措施，降低或减少对电气、电子系统的损害。第10页/共43页雷电流的分配原则第11页/共43页雷电对风电机组的损害（1）--引自IEC61400-24表4

雷击损毁事件的发生频度国家时间数据库中风力发电机组数发电能力MW每年风力发电机组数雷电故障每年每百台风力发电机组故障数德国1991-1998149835292047388.0丹麦1990-19982839698220008513.9瑞典1992-19984281781487865.8第12页/共43页雷电对风电机组的损害（2）--引自IEC61400-24表5雷击损毁风力发电机组的地区效应(德国)设置位置数据库中风力发电机组数发电能力MW每年风力发电机组数雷电故障每年每百台风力发电机组故障数直接雷击%间接雷击%沿海61617840182235.633.6%65.9%北部低地5198832132397.423.4%76.5%低山36386197327714.030.3%69.3%总数149835292047398.029.1%70.6%间接雷击意味着损毁不是因雷电直接击中风力发电机组而引起。第13页/共43页雷电对风电机组的损害（3）--引自IEC61400-24图7各部件的故障（德国）第14页/共43页雷电对风电机组的损害（4）--引自IEC61400-24图8各部件的故障（丹麦）第15页/共43页雷电对风电机组的损害（5）--引自IEC61400-24图9各部件的故障（德国）IEC1855/02电气系统机械制动器故障率%403020100控制系统发电机齿轮箱风轮叶片偏航系统液压系统传感器传动系统轮毂结构部件旧＜450KW,故障数：909新＞450KW,故障数：123第16页/共43页雷电对风电机组的损害（6）--引自IEC61400-24图10各部件的故障（德国）IEC1855/02故障率%6040200电气系统机械制动器控制系统发电机齿轮箱风轮叶片偏航系统液压系统轴承塔架整个风力发电机组其它旧＜450KW,故障数：988新＞450KW,故障数：29第17页/共43页雷电对风电机组的损害（6）德国斯图加特人报1995.3.25在黑尔戈蓝(德国西北部一岛)的大型风力发电机，能供应岛上1/4电量，但去年冬天因雷击损坏了风叶，它不再发电。去年冬天，雷击使丹麦的8台大型风力发电机中6台损坏。第18页/共43页直击雷防护的要点接闪引下接地第19页/共43页风电机组接闪状况第20页/共43页风电机组接闪状况第21页/共43页帕德博恩/德国直接损失150万欧元Source:GDV风电机组接闪状况第22页/共43页Theleftpicturecontainsamistake!Haveyoufoundit?风电机组接闪状况第23页/共43页接闪（1）塔架（钢筋混凝土内钢筋或金属支撑体）叶片（把雷电流引导轮毂）材料（GRP—玻璃钢）（CRP—碳纤维）第24页/共43页接闪（2）叶片接闪的可能性最大---位于风机塔制高点上---有效高度h>100m，上行闪击增大---3叶片20rpm速度旋转时，每个叶片以120/s旋转，可能多片接闪第25页/共43页接闪（3）A型---在叶片前缘外部的一个折板（副翼）用于制动。有用于才做折板的钢丝可接闪。雷击点常出现在钢折板的铰板处。B型---由弹簧夹持的叶尖刹车，雷击点主要发生在距叶尖点几十厘米处，或在变浆轴最外端的的表面。A型和B型叶片通常用于100kW大的老式风力发电机组第26页/共43页接闪（4）C型---由一钢丝控制的叶尖刹车。雷击点主要发生在距叶片端点几十厘米处，或在变浆轴最外端的的表面。与B型叶片对比，由于雷击而在雷击点和轴最外端形成的电弧会引起C型叶片的损坏更严重。D型---叶片由非导体材料制成，雷击点随意分布。第27页/共43页接闪（5）--引自IEC61400-24图17风力发电机组叶片形式第28页/共43页接闪（5）--引自IEC61400-24图18现代大型风力发电机组叶片的雷电防护第29页/共43页接闪（6）叶片---利用可导电的物体---加装接闪导线（可能会影响叶片的空气动力学特性和产生噪声）---粘贴金属箔（可能剥离）---分段避雷带（尚未成熟）---叶片上接闪点第30页/共43页ProtectedvolumeAir-terminationrod接闪（7）第31页/共43页接闪与引下线的连接---在叶片根部将接闪导线连接至叶片法兰或轮毂上---叶片的桨距可调时（如D型），可用软编织铜带与过轴承搭接---带叶尖刹车的叶片（如C型），要采用跨接保护控制钢丝的液压系统第32页/共43页---在叶片根部，引下线系统通常连接在叶片法兰上或轮毂上。---如果叶片的浆距是可调的（D型叶片），雷电流既可以从浆距轴承不加控制的通过，也可以从过轴承的一些搭接(如滑套)或柔性连接电缆通过。过轴承的柔性连接要与叶片的引下线的最里面的部分相连。---带叶尖刹车的叶片（C型叶片），控制钢丝的液压系统必须进行防护。闪络会从活塞杆传到缸体而使标准液压缸损坏。通常，液压缸的雷电防护是通过柔韧的有足够间距的连接带来转移雷电流。还有一种方法是利用滑动空气间隙结构。---一定要注意减小这种连接带的驰度，因为连接带松弛部分两端的感应电压降会变得很高而影响液压缸的防护。

叶片与轮毂的连接（1）第33页/共43页碳刷或放电间隙叶片与轮毂的连接（2）第34页/共43页内部的等电位连接---各金属物之间直流过度电阻？，不宜大于0.2Ω---轴承由于不完全的电气连接，可能会因电位差而发生闪络，造成凹瘪。---齿轮箱内也会发生闪络，目前其防护方法尚在研究中。第35页/共43页引下线金属塔架金属钢管塔身均可作为雷电流的引下线第36页/共43页雷电流的大小RBRALightningeventacc.VDE0185

acc200kALightningeventacc.IEC61400T24

Ø30kAEarthresistanceRB&RA:0,5Ohm/50HzEarthresistanceRB&RA:3-8Ohm/25kHzCableinductance:1µH/mu=L*di/dtVoltagedrop:

30kAx0,5Ohm=15kV

30kA

x8Ohm=240kV第37页/共43页接地装置--引自IEC61400-24图28典型的风力发电机组接地排列第38页/共43页